无动力风机在海洋平台的应用

海洋石油工程股份有限公司 高建虎 马邦勇 高志强

0 引言

无动力风机，是利用自然风力及室内外温差造成的空气热对流，推动涡轮旋转，从而利用离心力和负压效应将室内不新鲜的热空气排出，以提高室内通风换气效果的一种装置。图1为无动力风机外形照片。

图1 无动力风机外形照片

无动力风机采用弧形风叶，可以防止工作状态下雨水侵入，在微风(风速不低于0.2 m/s)或室内外温差大于0.5 ℃时即可实现轻盈运转，排风效率高。

相比常规电力驱动的风机，无动力风机具有如下优点：1) 无需电力驱动，节能环保；2) 运行平稳，噪声低；3) 结构简单，无需安装支架，安装方便；4) 长期免维护，运行费用低。

目前无动力风机在陆地上应用广泛，但在海上平台应用并不多。下面以某项目为例，介绍无动力风机在国内某海洋平台应用的情况。

1 项目概述

该项目新建4座无人井口平台，平台上设有电气间，需要为电气间进行通风系统设计。

电气间基本情况为：位于平台东南角下层甲板，房间尺寸为5.0 m×2.5 m×3.8 m，房间内布有电气控制盘柜，如图2所示。

注：①～④为250 kW变频器；⑤为变压器；⑥为壁挂开关；⑦为160 kW变频器。图2 设备布置图

房间内设备散热量为1.6 kW，通风换气次数为12 h-1。

2 通风方案设计

2.1 项目难点

与常规项目相比，该房间的通风系统设计具有以下难点：1) 平台无电力供应，常规的电动风机通风方案无法实现；2) 房间尺寸较小，房间内设备多，空间紧张，通风散热条件不利。

2.2 无动力风机空气流通原理

设计原理：利用热压和/或风压作为动力，驱动排风机运转，实现室内良好的通风。

2.3 设计方案

考虑到平台现状，房间拟采用无动力风机排风+自然进风的通风方案：房顶设置2套无动力风机，在房间侧壁下方合适位置开2个自然进风口，如图3所示。

图3 房间通风设备布置

2.4 通风系统设计计算

根据通风原理，在风压和热压共同作用时，孔洞内外压差等于该孔洞余压和室外风压之差[1]。

下部进风口内外压差Δp1：

(1)

上部排风口内外压差Δp2：

(2)

式(1)、(2)中px1为进风口的余压，Pa；K1为进风口的空气动力系数；vw为室外风速，m/s；ρw为室外空气密度，kg/m3；px2为排风口的余压，Pa；h为进风口和排风口之间的高差，m；g为自由落体加速度，m/s2；ρn为室内空气密度，kg/m3；K2为排风口的空气动力系数。

由于室外风速和风向经常变化，为保证设计效果，根据GB 50019—2015《工业建筑供暖通风和空气调节设计规范》的规定，在实际计算时仅考虑热压作用，风压一般不予考虑[2]。

如前文所述，无动力风机在微风下即可运转，实现房间排风。因此，只需确定自然通风口的位置、数量、面积，保证自然通风下的换气量，满足房间设备散热和换气次数要求即可。

计算过程如下：

1) 计算房间所需通风量(见表1)。

表1 房间通风量计算

房间所需通风量取Gy和Gh两者中的较大值，由于0.2 kg/s相当于600 m3/h，故房间所需通风量取600 m3/h。

2) 确定进排风孔洞位置，分配进排风量。

2台排风机位于房间顶部，单台排风量为300 m3/h，根据风量选取排风机的安装孔径为800 mm。综合考虑房间内设备布置、设备高度等因素，最终选取进风口中心高度为距离地面1 m。

根据风量平衡原理，进、排风口风量相等，即

G1=G2=G=600 m3/h

(3)

3) 根据排风口通风量，计算中和界高度，从而计算得出进风口面积(见表2)。

进风口最终选取为2个550 mm×400 mm的矩形格栅，房间通风侧视图见图4。

图4 房间通风侧视图(单位：mm)

3 无动力风机的结构设计

普通的陆用无动力风机结构简单，其强度一般无法满足海洋环境要求。考虑到海洋环境的特殊性，需要对无动力风机的结构进行优化设计，使之能满足高盐、潮湿的海洋环境要求。

主要从以下3个方面进行优化：

1) 陆地用无动力风机材质一般为彩钢，无法满足耐腐蚀要求。该项目所选的无动力风机采用316L不锈钢材料，并且整体涂漆(含叶片)，确保了风机优良的防腐性能。

2) 陆地用无动力风机中段壁厚很薄，中段与风帽底座为铆接，强度无法满足海洋台风工况。该项目所选的无动力风机中段采用加厚的316L不锈钢材料，设计了法兰的连接方式，为风机提供了足够的强度。

3) 该风机采用了特殊免润滑型轴承，无需日常维护，大大减少了维护工作量。

4 无动力风机安装方式设计

陆地用风机安装方式一般为铆接加密封胶，在房顶开孔，底座铆接到房顶，然后用密封胶密封，如图5所示。

图5 陆地用无动力风机的安装方式

这种安装方式无法适应海上大风大雨、强腐蚀的环境。由于海洋平台环境恶劣，铆接的底座强度不足以抵抗频繁发生的台风，且密封胶极易老化破损，导致密封性能降低，尤其是海上台风频繁，雨水极易进入房间内部。同时海上空气湿度大，房间内热空气上升遇到温度较低的风帽叶片会形成冷凝水，冷凝水在离心力作用下将沿着无动力风机底座内壁流到房间内，不利于房间内电气元件的安全。

根据海洋环境的特殊性，重新设计了风帽的安装方式，主要考虑以下因素：

1) 相对于陆地，海上风速更大，需要考虑安装的可靠性；2) 海上雨量较大，需要考虑安装后的密封性，防止海水进入房间；3)海上空气潮湿，热空气遇冷产生一定的冷凝水，需考虑冷凝水的排放问题。

针对以上问题，对该项目风帽底座进行了特殊设计，具体的安装方式见图6。

1.风帽涡轮头；2.风帽中段管径；3.无动力风机底座；4.冷凝水收集槽；5.冷凝水排放口；6.橡胶垫片；7.螺栓螺母；8.房顶甲板。图6 该项目无动力风机安装示意图

无动力风机底座为钢结构，配有与其匹配的法兰，并且设有无动力风机底座延长段，无动力风机底座内壁设有冷凝水收集槽，槽上布有一定数量的冷凝水排放孔。

房间顶部甲板开孔，将无动力风机底座焊接到房顶甲板上，风帽与风帽底座采用螺栓连接，保证了安装的稳固性和密封性。同时在无动力风机底座设置底座延长段和冷凝水收集槽，避免雨水通过法兰之间的间隙进入房间内。

无动力风机底座内壁设置冷凝水收集槽和冷凝水排放口，热空气遇到无动力风机叶片产生的冷凝水，在离心力作用下沿无动力风机底座内壁流入冷凝水收集槽内，由冷凝水排放口排出，解决了冷凝水的排放问题。

5 创新性

1) 选用无动力风机作为房间的通风方案，在国内海洋平台上尚属首次。无动力风机是一种节能、安全、有效的通风设备。它结构简单、维护方便、价格低廉，为海洋平台的通风设计提供了一种新的选择，尤其对于无人平台来说具有巨大的优势，为边际油田的开发奠定了基础。

2) 根据无动力通风系统原理，通过有组织的自然通风，利用热压和风压作为动力源驱动空气流动，实现通风系统的正常运行。

3) 自主开发设计无动力通风系统，并根据国家规范编制通风系统计算书，掌握了无动力风机的通风计算、选型及布置方法。

4) 考虑海洋环境的特殊性，对无动力风机的结构和安装方式进行了优化设计，使之能适应海洋环境的特殊要求。

6 效益分析

1) 初投资低。每台无动力风机的采办费用仅为相同使用条件下的电动机驱动风机的20%～30%左右。对于该项目来说，节省投资约400万元。

2) 无日常运行费用。由于是风力驱动或者温差驱动，日常运行费用为零。

3) 维护费用低。该风机无易损件，无需日常维护。

4) 节能环保。若选取同参数的电动机驱动，电动机功率约为0.55 kW。按照每年运行300 d，每天运行24 h计算，2台风机每年可节电7 920 kW·h。

5) 安全生产效益高。该风机具有良好的密封性、耐腐蚀性和低故障率，保证了设备的平稳运行，保证了整个平台的安全生产。

7 应用前景

该项目采用的无动力风机通风方案，在国内海洋平台中尚属首次。该类型风机结构简单、运行平稳、节能环保，拥有广泛的应用前景。

通过该项目的成功应用，掌握了无动力风机方案的选型计算方法，形成了一套完整的文件，为以后平台房间的通风设计提供了一项新的选择，具有较好的借鉴意义，为边际油田的开发奠定了基础。